（生物医学工程专业论文）aotf红外光谱检测系统的原理与仪器化.pdf

a b s t r a c t w i t hm o r et h a n1 0 0y e a r sh i s t o r y , t h es p e c t r a li n s t r u m e n t sa n d s p e c t r a la n a l y s e s a r ew i d e l yu s e di np h y s i c s ，c h e m i s t r y , b i o l o g y , g e o l o g y , g e o p h y t i c s ，m e d i c i n ea n d o t h e rs c i e n t i f i cf i e l d s 。t of u l f i l lr e a l t i m e a n a l y s e s o fg a s c o m p o s i t i o n a n d c o n c e n t r a t i o ni ne n dg a s e so f c a r s ，f l u eg a s e s ，p r o c e s sa n a l y s e se t c ，an e wi n f r a r e d s p e c t r a ld e t e c t i n gs y s t e mi s r e s e a r c h e da n dd e s i g n e di n t h i s p a p e r t h i si n f r a r e d m o n o c h r o m a t i cs y s t e mc o n s i s t so fa o t f ( i n f r a r e da c o u s t i c o p t i ct u n a b l ef i l t e r ) w h i c hf i l l st h er o l eo f d i s p e r s i v ee l e m e n t ，am i c r o m i n i a t u r ei n f r a r e dl i g h ts o u r c ea n d a p a r a b o l o i dr e f l e c t o r b yu s i n gd d s ( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ) ，i t c a nr e a l i z e p c - c o n t r o l l e dw a v e l e n g t ha u t o s c a n n i n g ，o n l i n ei n f r a r e ds p e c t r a la n a l y s e so fg a s e s t h i ss y s t e mh a sf o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：s i m p l es t r u c t u r e ，f a s tm e a s u r i n ga n dl o wc o s t t h i sp a p e re x p l a i n st h ep r i n c i p l eo fa o t fi n f r a r e ds p e c t r a ld e t e c t i n gs y s t e ma n d c o m p l e t e st h ew h o l ei n s t r u m e n t a t i o n m yt h e s i si sd e s c r i b e da st h r e ep a r t s ：s i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o r ( s c m ) c o n t r o l l e df r e q u e n c ya u t o s c a n n i n g ，i n c l u d i n gk e y b o a r d ， l c d d i s p l a y ，s c m p cc o m m u n i c a t i o n ，d d s s c mi n t e r f a c ec i r c u i t ，c o n t r o ls o f t w a r e f o rs c m c o r r e l a t i v ed e t e c t i n ga n dd a t a a c q u i r i n gs y s t e mc o n t r o l l e db ys c m ； c o r r e l a t i v e d e t e c t i n gs y s t e mi n c l u d e ss i g n a l a m p l i f i c a t i o n ，w a v et r a n s f o r m a t i o n ， p h a s ed i s p l a c e m e n ta n dc o r r e l a t i v ed e t e c t i n gc i r c u i t ；d a t aa c q u i r i n gs y s t e mi n c l u d e s a dc o n v e r tc i r c u i t ( c o n t r o l l e db ys c m ) ，c o n t r o ls o f t w a r ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o n w i t hp c p cc o n t r o l l e ds o f t w a r e ( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g s t r u c t u r e ) b a s e do n m f c ，i n c l u d i n ga u t oc o n t r o l ，d a t aa c q u i r i n g ，d a t as t o r a g ea n dd i s p l a y i n go fd a t a f i n a l l y , t h ew h o l ei n s t r u m e n ti sc o m p l e t e l yi n s t r u m e n t e d w i t ht h ed e v e l o p m e n t i nt h ef u t u r e ，n e u r a ln e t w o r k ，w a v e l e tt r a n s f o r r nc a nb ea d d e di nt h ep cs o f t w a r et o a n a l y z em o r eg a sc o m p o n e n t s ，s u c ha se n dg a s e so fc a r s ，f l u eg a s e se t c k e y w o r d s ：a o t f ( a c o u s t o - o p t i ct u n a b l ef i l t e r ) ) _ _ 一i n f r a r e ds p e c t r a li n s t r u m e n t o n - l i n e d e t e c t i n gd d s ( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ) 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j f 耋寿吁 签字日期：了一弘年，月，口目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权矗生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弘并叶导师签名：3d 、奇往孳 签字日期：五炉4 年j 月f 口日 第一章绪论 1 1 光谱仪器的发展 第一章绪论 从十九世纪六十年代初发射光谱仪的出现，至今光谱仪器的发展已经有一百 多年的的历史，现在仍在不断的发展中。一方面，它随着光谱学和光谱技术及其 他利用光谱学和光谱技术作为研究分析手段的科学技术领域的发展而发展，出现 了许多新型的( 或称非经典的和非常规的) 光谱仪器。另一方面，由于电子技术、 微机技术、激光技术的迅速发展，传统的的光谱仪器在工作原理未变的基础上， 已经成为光机电及微机等高科技相结合的精密的、自动化的仪器。上个世纪的最 后二三十年，傅立叶变换红外光谱仪得到了迅速的发展。从1 9 6 9 年，美国推出 第一台商用傅立叶变换光谱仪，到现在全世界几十家公司生产的难以计数的各种 型号的仪器，就是一个很好的例证。光谱仪的发展，主要有以下几个方面： 首先，随光谱学的发展，要求提高光谱仪的光谱分辨率。分辨率的大小取决 于所观测到的谱线轮廓。谱线轮廓增宽，分辨率就降低。在经典的光谱仪器中， 采用高分辨率的色教元件，由棱镜发展到光栅。通过增大光栅的刻划面积，提高 光栅的刻槽密度来提高仪器分辨率。但在技术上总要受到限制，于是又发展了干 涉光谱技术，出现了傅立叶光谱仪。 其次，在光谱分析工作中，对微弱光谱信号的检测，要求提高光谱仪器的集 光性能，以提高信噪比。在经典的光谱仪器中，由于狭缝宽度限制了进入仪器的 光通量，所以提高集光性能是有限的。1 9 5 2 年，斐尔格特( f e l l g e t t ) 首先提出干涉 调制光谱仪的原理，解决了这个问题。由于快速傅立叶变换算法的出现及计算机 技术的发展，傅立叶变换光谱仪得以普及。 第三，光谱仪器的自动化和智能化。虽然在上世纪6 0 年代初，光谱仪器就 采用了光电探测器，分光光度计实现了光谱的自动记录，光电直读光谱仪已用于 冶金的快速炉前分析。然而仪器的自动化发展到今天的水平，则是和计算机技术 的发展分不开的。今天的微机技术的发展和普及，使性能更加完善，功能更强， 而价格却大大降低，计算机系统己成为光谱仪器的重要组成部分。 新型光谱技术的出现，促进了新型光谱仪器的研究工作。现代声光技术是在 上个世纪7 0 年代初发展起来的。近年来，随着声光技术的发展，出现了一种新 型的色散元件一声光可调谐滤光器( a o t f ) 。a o t f 的优异性能表现在它的尺寸 小、重量轻、无需机械运动部件、适合计算机控制、大的光学工作波长范围以及 通过使用先进的信号处理算法而使它们超灵敏运转的可行性，为从紫外到红外波 长范围的快速、灵活频率调谐提供了可能。 第一章绪论 1 2 课题的提出和意义 随着经济的发展，汽车保有量越来越大。与此同时，汽车尾气对城市大气环 境的危害也越来越大。在传统的汽车尾气检测方法采用不分光的红外气体分析方 法。这种检测方法的优点是检测精度高。其缺点是不能实时检测汽车尾气排放情 况，灵活性差。因此，为了快速、简便地检测汽车尾气的成分和含量，迫切要求 研究新型的汽车尾气检测系统。 为此，本课题研究了基于a o t f 的红外光谱检测系统。该课题的研究工作有 助于寻求一种可在线实时检测汽车尾气的新方法。该方法对于降低检测人员的工 作量，提高检测效率以及对控制汽车尾气的排放量和改善城市大气环境具有重要 的现实意义。 1 。3 课题的研究方法 由于a o t f 采用了电扫描方式，其扫描速度快。从一种波长切换到另一波 长仅需1 0 s ，因而适合于快速光谱分析场合。a o t f 的通光口径可达5 l o m m 、 角孔径在1 0 。以上，其透过波长范围从紫外延伸到中红外区。因此采用a o t f 为色散元件组成了红外光谱检测系统。 系统采用超小型的红外光源，以单片机控制d d s ( 直接数字频率合成器) 产生射频信号，通过功率放大，驱动a o t f ，改变驱动频率实现系统的波长扫描。 根据需要，可选择连续或者单步扫描方式，实现波长扫描。为了提高接收灵敏度， 采用了高探测率的碲镉汞( h g c d t e ) 探测器，为了抑制噪声，采用了相关检测技术， 提高信噪比。采用单片机控制的a d 转换实现数据的自动采集。系统工作在p c 机的控制之下，p c 控制软件采用最流行的面向对象的软件设计方法，软件具有 很好的适应性及扩展能力。 第二章a o t f 红外光谱检测系统 第二章a o t f 红外光谱检测系统 2 1 系统检测原理 每种物质都有独特的分子和原子结构、运动状态和相应的能级分布，物质运 动状态变化时会形成这种物质所特有的分子光谱或原子光谱，根据光谱形成的机 理不同，光谱分析可分为发射光谱分析、吸收光谱分析、散射光谱分析、荧光光 谱分析等几大类。 本系统是根据光的吸收原理来实现光谱的实时检测，即利用每种物质具有确 定的光谱吸收特性来进行检测。由于不同的气体，分子或原子的结构不同，其特 征吸收波长也不同。同时在特征吸收波长处，其所吸收的光能取决于被测气体的 含量。 吸收光谱定量分析的基础是朗伯( l a m b e r t ) 一比尔( b e e r ) 定律。即透射光的强 度与物质浓度成指数关系。数学表达式如下： 一【孚= p c d l 或 l n ：一c f ，o ，= l o e “。 公式( 2 1 ) 根据l a m b e r t b e e r 定律，单色光在通过吸收介质以后的透过率t 是按指数 规律衰减的，即 r ie - a d r “ 公式( 2 2 ) 其中日一吸收系数：，一光在样品物质中通过的距离； j 一透射光强度：f 一入射光强度；c 一样品的浓度。 吸收系数d 取决于辐射波长和样品的性质，如果样品不吸收某种波长的光， 则样品对这种波长的光的吸收系数口= 0 ，即光的透过率为1 0 0 ，如果样品吸 收某种波长的光，则样品对这种波长的光的吸收系数d 0 ，当光通过距离f 后，光能的衰减量取决于样品的浓度c 和入射光的光强，。 实际应用中采用吸光度a 来表示气体对光的吸收，有 ， a = 一l g 等= o 4 3 4 i n 粤= o 4 3 4 ( 7 c l 公式 第二章a o t f 红外光罄检测系统 根据光谱学研究可确定各种吸收物质的吸收光谱，并可找到该物质在特定波 长处的吸收峰以及相应的特征峰值处的波长值，根据上述二式，可以得到由所测 透过率求气体浓度的关系式 c = 一z 3 0 3 1 1 9 t公式( 2 4 ) 上式便是该红外光谱仪系统的基本检测原理。 2 2 4 d 卯原理 当超声波在各向同性的介质中传播时，传播介质的折射率将由于受到应变的 调制而作周期性变化，因而传播介质相当于一个相位光栅。当光在通过它时将发 生衍射，如果介质的折射率与光的传播方向和偏振状态无关，我们把这种入射光 折射率”，和衍射光折射率n 。相等的声光相互作用称为正常的( 或各向同性的) 声光相互作用。但是在一定条件下，声光相互作用会使光的偏振状态发生变化， 此时月，我们称这种作用为反常的( 或各向异性的) 声光相互作用。两者 可以统一为参量的相互作用过程，声光效应可由非线性极化矢量与应变之间的关 系来描述。 声光可调谐滤光器口d 是一种新型的反常布拉格衍射器件。它能以很高 的速度进行电调谐并且具有很大的角孔径( 很高的聚光能力) ，这是它的两个显 著特点。因而a o t f 可以完成一般色散元件所无法完成的任务。 由于二十世纪六十年代末发现的具有优秀声光性能、用于可见光和红外光范 围的正单轴晶体二氧化碲( t e 0 2 ) 单晶中的慢切变波不能引起共线相互作用。美 籍华裔科学家张以拯( i c c h a n g ) 提出了一种新的波矢量布局方案非共线 a o t f ：它保持如曲面和k ，曲面在k 。和k ，端点处的切面互相平行，如图2 1 所示。 因而当入射角有一个小的改变时，仍能保持动量匹配条件成立；亦即利用双折射 量随角度的变化恰好补偿因角度变化引起的动量失配，从而制成了既保持有大角 孔径，而且衍射效率高、结构简单的非共线a o t f 。 iy i 彳 满 峦专隶弋一 心少 图2 - 1 非共线声光互作用波矢图 第二章a o t f 红外光谱检测系统 非共线a o t f 取消了对声波矢和光波矢共线的要求，给设计和制造带来了很 声终端 ( 入射 ，二- - - ， 一 le 仨= = 三歹专丰芝 ，i7 p 光衍射) ( 0 光衍射) ( 0 光衍射) 换能器阵列 大的方便。二氧化碲( 死仍) 非共线a o t f 的结构如图2 2 所示，滤光器o a - 部 分组成，即声光介质、换能器阵列和声终端。 图2 2a o t f 结构图 当射频信号加到换能器上时，激励出超声波并耦合到声光介质。为了防止声 波反射，透过介质的声波被声终端的吸声体吸收。当复色光以一特定的角度入射 到声光介质后，经过声光相互作用，对应某个声频率，入射光被超声波衍射成两 束正交偏振的单色光，一束为e 光，一束为o 光，分别位于零级光两侧。当改变 声波频率时，满足动量匹配条件的衍射光波长也将相应改变，连续改变超声波频 率就能实现衍射光波长的快速扫描。 对于各向异性声光介质，满足动量匹配条件的衍射光波长五与声速v 、声频 ， 、入射角只之间有如下关系： = v a n ( s i n 4 自+ s i n 2 2 只) ”2 】公式( 2 5 ) 式中a n = l ”。一n 。i 复色光以平行光入射到a o t f 上时，各种波长单色光入射角均为护，当声频 确定后，出以上公式所确定的波长即为衍射光的中心波长。公式( 2 5 ) 为a o t f 的调谐关系。 在本系统中采用的即是二氧化碲( t e 0 2 ) 非共线a o t f ，其外形尺寸为8 0 4 5 2 0 m m 3 。其性能指标参数为： 调谐频率范围：1 7 - 3 5 m h z ( 详见图2 3 ) 光谱分辨率：1 0 r i m ( 2 = 2 5 5 , a m ) 入射光发散角万：4 1 4 。6 。( a = 2 5 5 9 m ) 衍射角p ，：6 。 通光孔径：1 2 1 0 m m 2 响应速度： r d ，为恒流偏置，通过探测器的偏置电流基本上不 随光辐射的变化而变化，这个电流值受探测器的额定功率限制，必须折中考虑响 应率和安全性。根据偏置电压和暗电阻助可以确定负载电阻吼的阻值。信 号从4 点取出，送到前置放大器。 第三章f i o t f 频率的自动扫描 第三章a o t f 频率的自动扫描 3 1 自动频率扫描原理 为了实现波长的快速扫描，a o t f 需要在连续的电信号扫描下工作。在此采 用单片机控制d d s ( 直接数字频率合成器) 产生变化的射频信号来驱动a o t f 。用 软件实现单步和循环的自动频率扫描。 3 1 。1 直接数字频率合成技术 直接数字频率合成技术是新一代频率合成技术。在这种技术中，微处理器直 接参与频率合成使系统的硬件全部数字化。它的频率转换速度快，频率、相位和 幅度可控，频率的稳定性与系统时钟稳定性在同一数量级。d d s 的基本原理是 建立在不同的相位给出不同的电压幅度的基础之上，在一个周期内给出按一定电 压幅度变化规律的波形。 其基本原理是：把正弦函数在一个周期内分成尽可能小的若干个点，求出相 应的正弦函数值，用二进制数表示，写入r o m 中，构成一个正弦函数表。合成 频率时，通过相位累加器的频率控制码来改变相位增量，相位增量的不同，将导 致一周内的取样点数不同。由于取样是在系统的时钟控制下进行的，因此根据相 位累加器所对应的点，从r o m 中读出的函数值所形成的量化正弦波的周期也随 相位增加量的改变而改变。从而实现对所需频率的合成。图3 - i 给出了d d s 的 原理图： 图3 - 1d d s 的原理图 累加器一c c 以固定的采样速率产生正弦曲线的线性增加的数字地址值， 以这些相位值的高a 位对r o m 寻址。在r o m 中写入了2 。个正弦数据，每个数 据有d 位。不同的频率码，导致相位累加器的不同增量，这样从r o m 中读出 的正弦函数的周期也就不同，r o m 输出的d 位二进制数送到d a c 中进行d a 第三章a o t f 频率的自动扫描 转换，得到模拟化的阶梯波。d a 转换的结果再通过低通滤波器( t p f ) 滤除高频 部分得到纯净的正弦波。 肋s 的性能主要取决于r o m 的容量和d a c 的精度，r o m 的码字长度( d a c 的位数) 每增加一位，将使输出信号的幅度量化噪声改善6 d b 。r o m 容量越大， 合成器的信噪比就越好。然而，随着大容量存储器的出现，最终限制改善信噪比 的关键因素是器件的工作速度和d a c 的精度。 合成器的合成频率由频率控制码、累加器的模、以及系统时钟频率来决定。 若累加器的模为 矾系统时钟频率为r ，则合成器的频率分辨率为： f l = f d m 当频率码为时，合成器所产生的输出频率f ： 只= n x f 可见，只与成正比。如果随时间线性增加，则合成器就产生线性调频扫 描信号。如果随时间按指数规律变化，则合成器就会产生对数调频扫描频率 信号。 3 。1 2 确定扫描频率与衍射光波数之间的关系 在本系统中，为测定待测气体的光谱特性，必须确定a o t f 射频驱动频率与 红外衍射光波数之间的关系。将单色系统发射的红外衍射光入射到傅立叶变换光 谱仪中。连续改变a o t f 射频驱动频率，可以得到波数连续变化的单色红外衍射 光。驱动频率由频率计测定，频率变化范围为：1 7 m h z 一3 5 m h z ：衍射光波数 由p a r k i ne l m e r 公司的傅立叶变换光谱仪测定。实验结果如表3 1 所示。 实验记录( 取其中两次) 表3 - 1 6 驱动信号频率f ( m h z ) 1 71 81 9 2 02 1 f 衍射光波数( c m “) ( 一) 2 0 4 2 92 1 3 8 72 2 3 7 8 2 3 3 5 82 4 3 5 8 i 衍射光波数( c m 1 ) ( 二) 2 0 4 2 52 1 3 8 1 2 2 3 8 52 3 3 5 22 4 3 5 1 i 驱动信号频率f ( m h z ) 2 22 32 4 2 52 6 i 衍射光波数( c m 。1 ) ( 一) 2 5 3 5 72 6 3 6 72 7 3 8 7 2 8 3 9 32 9 4 2 6 i 衍射光波数( c m 1 ) ( 二) 2 5 3 5 12 6 3 7 0 2 7 3 9 32 8 3 9 92 9 4 2 4 l 驱动信号频率i ( m h z ) 2 72 8 2 93 03 l | 衍射光波数( c m 。) ( 一) 3 0 4 4 ，33 1 4 7 93 2 5 0 4 3 3 5 6 。63 4 5 9 。l i 衍射光波数( c m 。1 ) ( 二) 3 0 4 4 93 1 4 9 53 2 5 0 2 3 3 5 6 43 4 5 9 0 第三章a o t f 频率的自动扫描 雌驱动信号频率f ( m h z ) 3 23 33 43 5 | 衍射光波数( c m 1 ) ( 一) 3 5 6 4 03 6 6 7 83 7 7 2 23 8 7 4 4 _ 衍射光波数( c m 1 ) ( 二) 3 5 6 3 43 6 6 7 23 7 7 2 03 8 7 5 0 频率波数v r ) 曲线拟合 由a o t f 的调谐特性可以看出，射频驱动频率与衍射光波数成线性关系。因 此，频率波数( 厂r ) 拟合方程确定为， r = a + b + f 式中f 一驱动频率；v - - - 衍射光波数。根据实验数据，得到线性回归简化计算表 如下： 线性回归简化计算表 表3 - 2 序号 f p 2 f v 11 72 0 4 2 92 8 94 1 7 3 4 4 0 4 l3 4 7 2 9 3 “ 21 82 1 3 8 7 3 2 44 5 7 4 0 3 7 6 93 8 4 9 6 6 31 92 2 3 7 83 6 l 5 0 0 7 7 4 8 。8 44 2 5 1 8 2 42 02 3 3 5 84 0 0 5 4 5 5 9 6 1 6 44 6 7 1 6 0 52 l2 4 3 5 84 4 l 5 9 3 3 1 2 1 ，6 45 1 1 5 1 8 62 22 5 3 5 74 8 46 4 2 9 7 7 4 4 95 5 7 8 5 4 72 32 6 3 6 75 2 96 9 5 2 1 8 6 8 96 0 6 4 4 1 82 42 7 3 8 75 7 6 7 5 0 0 4 4 7 6 96 5 7 2 8 8 92 52 8 3 9 36 2 5 8 0 6 1 6 2 4 4 97 0 9 8 2 5 1 02 62 9 4 2 66 7 6 8 6 5 8 8 4 9 7 67 6 5 0 7 6 l i2 7 3 0 4 4 37 2 99 2 6 7 7 6 2 4 98 2 1 9 6 1 1 22 83 1 4 7 97 8 4 9 9 0 9 2 7 4 4 18 8 1 4 1 2 1 32 93 2 5 0 48 4 1 1 0 5 6 5 1 0 0 1 69 4 2 1 6 6 1 43 03 3 5 6 69 0 01 12 6 7 6 6 3 5 6 10 0 6 9 8 0 1 53 13 4 5 9 19 6 1 1 1 9 6 5 3 7 2 8 l1 0 7 2 3 2 1 1 63 23 5 6 4 01 0 2 4 1 2 7 0 2 0 9 6 o o1 1 4 0 4 8 0 1 7 3 33 6 6 7 81 0 8 4l3 4 5 2 7 5 6 8 4 1 2 1 0 3 7 4 1 83 43 7 7 2 21 1 5 6 1 4 2 2 9 4 9 2 8 41 2 8 2 5 4 8 1 93 53 8 7 4 41 2 2 5 1 5 口1 0 9 7 5 3 613 5 6 0 4 0 4 9 45 6 0 2 0 71 3 4 1 41 7 11 1 6 8 6 4 0 0 1 5 1 4 7 3 3 0 根据上表中的数据可得 口= 2 9 3 9 。b = 1 0 2 1 频率一波数( 厂- r ) 拟合方程为 y 2 2 9 3 9 + 1 0 2 14 - 厂 第三章a o t f 频率的自动扫描 3 2 自动频率扫描的实现 前面已经介绍了直接频率合成技术的原理以及在本系统中扫描频率和 a o t f 衍射光波数的对应关系。在此我们选用了新型的数字频率合成器件 a d 9 8 5 0 。 a d 9 8 5 0 是一种利用先进d d s 技术的高度集成的器件，加上内部的高速、高 性能的d a 转换器和比较器，成为完全数字可编程的频率和时钟产生器。当给 一个精确的参考时钟源后。a d 9 8 5 0 可以产生极其纯净的，频率和相位都可编程 的模拟正弦波输出。这个正弦波信号可以直接作为频率源或者转换为方波信号灵 活的作为时钟应用。 a d 9 8 5 0 创新的高速d d s 核心提供了3 2 位的频率转换字，当参考频率为 1 2 5 m 时，频率转换的精度可达o 0 2 9 1 h z ，a d 9 8 5 0 的电路结构允许产生的输出 频率达到参考频率的一半。即参考频率为1 2 5 m 的时候，最高输出频率为6 2 5 m 。 并且，输出频率的转换速率可以达到每秒2 3 0 0 0 0 0 0 的新频率。器件同时提供了 5 位的数字相位控制模式，允许输出频率以1 8 0 。、9 0 。、4 5 。、2 2 5 。、1 1 2 5 。 的相位增加，或以他们的任意组合增加。 a d 9 8 5 0 的输出是一个采样正弦波信号，根据n y q u i s t 采样定理。它的输出 中必然包括基本输出信号与谐振信号。谐振信号的频率发生在参考时钟频率的整 数倍加减基本输出信号频率的地方。公式表示如下： 。= l 寸。f 。tk = 1 , 2 3 n t 上式中无为谐振信号的频率，厶，为参考时钟的频率， 。为基本输出信号 的频率。 在a d 9 8 5 0 的输出端加一个低通滤波器可以滤掉谐振信号，为了避免产生的 谐振信号与输出信号频率过于接近，或者落入输出信号的频带内，一个比较好的 原则是a d 9 8 5 0 的输出信号的频率应小于参考时钟频率的3 3 。 3 2 1a d 9 8 5 0 的控制方式 a d 9 8 5 0 控制灵活，频率及相位模式的转换和控制的控制字可以通过并行或 串行的方式载入。并行模式由5 个重复载入的8 位控制字组成，第一个控制字为 相位模式、p o w e r d o w n 允许位及载入格式。第2 到5 个控制字组成3 2 位的频率 控制字。串行载入则是通过一个管脚载入4 0 位的串行数据流。 图3 2 是a d 9 8 5 0 b r s 的管脚图，主要引脚的功能说明如下： 第三章a o t f 频率的自动扫描 a d 9 8 5 0 t o pv i 附 n o t 协s c a r e ) i ) 4 d 5 o # d 7m s b 婚r 眦l o a o d g n d o v d d r e s 盯 i o u t i o u t b a g n d v d d o a c e 4 1 n c ) v i n p v 眦n 图3 2a d 9 8 5 0 b r s 的管脚图 d 7 ：4 0 位串行控制字的串行装载管脚。 c l k i n ：参考时钟的输入端，输入信号应为c m o s 电平的正弦波或者方波。 w - c l k ：控制字加载时钟，用来载入并行或串行数据。 f q - u d ：频率更新时钟：在上升沿时，器件根据输入寄存器的数据更新频 率或相位输出。 r e s e t ：器件的复位端。 3 2 1 1 频率控制字的确定 a d 9 8 5 0 输出频率，参考频率和控制字之间的关系为 f o 。= ( a p h a s e c l k i n ) 2 3 2 a p h a s e ：为3 2 位的频率控制字的值。 c l k i n ：为c l k i n 管脚输入的参考频率。 无为输出频率。 3 2 。1 。2a d 9 8 5 0 串行模式使能 在我们的系统中采用了串行控制字写入模式，要使用串行模式，必须先使串 行模式有效，有两种方法，可以使串行模式有效。一种是写入控制字使能串行模 式，另一种是用电路直接实现。我们采用了第二种方法。 第三章a o t f 频率的自动扫描 图3 3 串行使能电路连接 如图所示，a d 9 8 5 0 的管脚2 接地，管脚3 、4 直接接高电平，则缺省状态下 a d 9 8 5 0 的载入模式就为串行载入。 3 2 1 3a d 9 8 5 0 控制字写入 刚。厂 il w c 嘣r 几一l f 一4 0 wc l kc y c l e s 一 f i g u r e 2 4 s e r i a l - l o a df r e q u e n c y p h a s eu p d a t es e q u e n c e 图3 4a d 9 8 5 0 的串行载入时序 表3 - 3a d 9 8 5 0 的串行控制字格式 滴_ _ | 、i j + 磁i 霪禹! i明i 、：ii 秘j 毫j 磐：； i 稿曩、_ v i ii 孬麓臻 ； - ；蠢谶鬻l | | _ l ；簿嚣囊 f r e q - b 0f r e q b lf r e q - b 2f r e q b 3 f r e q - b 4 f r e q - b 5 f r e q - b 6 f r e q b 7 锄 j i f f 努彰w阮d * i 麓麟 谚0 。” g 螽骖墨一i v l 4 0 翟、 ；酾攀繁 f r e q - b 8f r e q - b 9f r e q - b 1 0f r e q - b l i f r e q - b l 2 f r e q - b l 3 f r e q - b 1 4f r e q - b 1 5 hj ；戚麟i 降曩j 蠹瀵鎏j腑”鞠雾-l 附8 ， j h 譬彰。 峻职一 f r e q b 1 6f r e q b 1 7 f r e q - b l 8 f r e q - b l 9 f r e q b 2 0f r e q - b 2 1f r e q - b 2 2f r e q - b 2 3 聊w 2 51 i l i ：i ：! i ：i 。降童矿。“瀚黪_ _ _ ；_。沈鹾誊i 洒劳露瞒痨辨i黼谬i ；| ；| 誊 f r e q - b 2 4f r e q - b 2 5f r e q b 2 6f r e q b 2 7 f r e q b 2 8 f r e q b 2 9f r e q - b 3 0f r e q b 31 | ? ， | 稿蠢 讨节6；船彭鼻，1 t 3 8 1 ：每薯 谚 口_ 嚣；，! f m ”w 妃i ?m w p o w e r -p h a s e b 2p h a s e b 4 c e n t r e lc o i t r o ip h a s e b 0p h a s e b 1 p h a s e - b 3 d o w n ( l s b )( m s b ) 在a d 9 8 5 0 的串行模式下，4 0 位的控制字通过管脚2 5 ( 数据线d 7 ) 输入，每 第三章a o t f 频率的自动扫描 一个w - c l k 的上升沿载入1 位数据，当连续4 0 个w - c l k 的上升沿后，4 0 位数 据全部数入到a d 9 8 5 0 的输入寄存器，在月q u d 管脚的脉冲更新输出频率或相 位。 3 2 1 4a d 9 8 5 0 的复位 在对a d 9 8 5 0 写入控制字前一定要对器件进行复位，复位端为器件的2 2 脚， 当此引脚保持一段时间的高电平时，器件被复位。复位的结果是：除频率和相位 寄存器外的所有寄存器被清零，地址指针指向w o ，在下一个系统时钟的上升沿 到来时，器件的输出为c o s i n 0 。a d 9 8 5 0 的复位时序如图3 - 5 ： 嘏几巳旺p 叫 rt w ”o 1 | = 一t 。一 一s ，厂 i e = = ! = ：= 二二l 一 图3 5a d 9 8 5 0 的复位时序 在使用中，我们选用了硬件复位的方式。加电后，由于电容的作用使a d 9 8 5 0 的2 2 脚产生一个高电平，使a d 5 0 复位。电路图如下： 3 2 2 单片机接口 + 5 l2 2 r e s e t a d 9 8 5 0 图3 - 6a d 9 8 5 0 的复位电路 由于系统中的控制工作比较多，而进行数据处理的计算工作基本上由p c 机 来完成，所以我门没有选用d s p ，而是选用了a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 ，相对于 8 9 c 5 1 ，a t 8 9 c 5 2 有更丰富的片内资源。例如有8 i 字节的片内e e p r o m ，以及 2 5 6 字节的片内r a m ，对于我们的控制程序来说，已经足够，省去了片外程序 存储器和片外r a m ，降低了成本和简化了控制电路，它有3 个1 6 位的时钟f 计 第三章a o t f 频率的自动扫描 数器) ，而且3 2 个i o 线全部可编程，时钟可高达2 4 m ，和5 1 相比，它的使用更 加灵活。 3 2 2 1 单片机对d d s 控制 单片机a t 8 9 c 5 2 和d d s 的接口电路如图3 7 所示。其中，s g - 8 0 0 2 是高精 度晶体振荡器，其输出作为d d s 的参考时钟，其频率稳定度为p p m 级。 单片机a t 8 9 c 5 2 的p 2 口用来控制d d s 的频率输出，通过软件控制p 2 口， 经过4 0 个控制字加载时钟w - c l k 后。将4 0 个控制字以串行的方式装载到 a d 9 8 5 0 的频率和相位控制寄存器，最后在一个频率更新周期内硷u d 使d d s 的输出频率得到更新。 p 2 5 s e r i a ll o a d 8 9 c 5 2p 2 6 w c l k p 2 7 f q u d 。+ 5 v a d 9 8 5 0 b r s v o d l s g - 8 0 0 2 o e j y t i d l d o o u t c l k l n 图3 7 单片机与d d s 的接口电路 单片机对d d s 控制所需的串行输入时钟，用a t 8 9 c 5 2 的1 6 位计数器来实现。 通过改变管脚的电平，并延时实现所需的脉冲。 v o i dd l y l m s ( v o i d ) f 延时l m s 的函数 t m o d = 0 x 0 1 ： t r 0 = 1 ： t h 0 = 0 x f 9 ： t l 0 = 0 x t d ： d o w h i l e ( ! t f 0 ) ： t r 0 2 0 ： d d s 的控制分为几个不同功能的函数模块，如下所示： v o i dd d s s e t c t r l w o r d ( v o i d ) 计算相应频率的控制字) v o i dd o s i n i t ( v o i d ) 初始化d d s ) 第三章a o t f 频率的自动扫描 v o i dd d s w d a t a ( v o i d ) 写入控制 v o i dd d s s c a n _ w _ d a t a ( v o i d ) 连续扫描时，写入控制字 3 2 3 2 键盘接口 对于我们的控制功能而言，我们所选的单片机的i o 口足够用，所以键盘控 制选用了最简单的控制方式，即对单片机的i o 口直接进行扫描。电路如图3 - 8 所示： 图3 8 单片机键盘控制接口、7 这种扫描方式的不但电路简单，软件控制同样简单，只要一直监视p 1 口 检测是否有键按下既可，同时也消除了键抖动。用5 1 的c 语言实现如下： v o i dk e y ( v o i d ) f d o k e y t m p = p 1 ： k e y t m p & = o x o f ： ) w h i l e ( k e y _ t m p = = o x o f ) ： k e y n u m = k e y t m p ： d 1 y l o m s 0 ： w h i l e ( k e y _ t m p ! ：o x o f ) k e y t m p = p l & o x o f ： ) ) 键是否按下 存储p l 口的值 延时，以消除键抖动 存储键值 第三章a o t f 频率的自动扫描 3 2 3 3 液晶显示接口 液晶在控制d d s 频率扫描时用来显示扫描状态和当前d d s 的输出信号的频 率，在数据采集时分别用来显示两个通道采集到的电压值。由于我们只显示数字 和几个字符，所以没有采用图形点阵式液晶，我们选用了北京青云公司的8 段带 小数点的液晶显示模块l c m l 4 1 。 l c m l 4 1 液晶显示模块，内含显示r a m ，可以显示任意字段笔画，有3 - 4 线串行接1 ：3 ，可与任何单片机，接1 3i c 接1 3 ，功耗低，典型的显示电流小于6 0 f a ， 采用工作电压为2 7 5 2 v ，视角对比度可调，显示清晰，编程控制也较简单。 它的外形如图3 9 所示。 龆鼠躁照照豌画 吼鼠照醯癌雹国 。 图3 9l c m l 4 1 的外形及管脚图 管脚定义为： 1 一c s 片选2 一w r 写引脚3 一d a t a 数据引脚 4 一g n d 地5 一v l c d 工作电压调整脚6 v d d 电源 控制时序： 读数藏r i i 鲥序 嚣一l 。，。j 【，一 谳 翱门门门门门门门r 丌钉月钉几月门钉f 一 西 门门f r 门f 1 门厂 d a t a “可口匝翌国至塑羽匝匦夏返tq 腰垡鲎基塑业豳撒逝工 r a m a 嗽1d a t a1龇a i ) d r 2 d a t a 2 熹：，溃戤时，凌0 0 应鞋 o 上升沿之后6 l s 图3 1 0l c m l 4 1 读显示r a m 时序 第三章a o t f 频率的自动扫描 鹰 n几 弧 门门f 匹盈函丝互区r 钉钉f 睡弱疆羽匹厂 钉门f 睡羽锄 d a t a c 曲；攀日a d d r i 供d 船1c m 。篆甲叫a 甜r 2o f d a t l 2c 曲g 划a d 盯d a k l 3 d a l a m o d ed a t a i , & 4 ed a 强m o d